【正文】 ........ 26 電動車充電站充電電路設(shè)計 1 1 引言 課題研究背景及意義 電動車是一種非常理想的中短途日常交通工具， 電動車的應(yīng)用有效地解決了能源和環(huán)境兩大難題 ， 因此 ， 在我國有著得天獨厚的發(fā)展條件和廣闊的應(yīng)用前景。 RFID的研究和應(yīng)用都得到了前所未有的發(fā)展，本課題設(shè)計內(nèi)容把射頻識別技術(shù)與電動車充電站結(jié)合起來，以 AT89C51單片機為核心，利用 RFID技術(shù)電子錢包功能實現(xiàn)用戶身份 識別 和電子支付充電 費用功能， 防盜報警，安全可靠 ； 充滿自停 ， 來電續(xù)充 ，付費合理，并加上 LCD顯示費用余額方便簡單 。這四類電池的性能和優(yōu)缺點如表 1所示： 表 1 各材料電池性能比較 性能等指標(biāo) 鉛酸蓄電池 鎳鎘電池 鎳氫電池 鋰離子電池 電池容量 3Ah3000Ah 100mAh7Ah 10mAh3Ah 50mAh50Ah 重量比能量 35Wh/Kg 50Wh/Kg 70Wh/Kg 120Wh/Kg 體積比能量 90Wh/L 100Wh/L 140Wh/L 360Wh/L 工作溫度 40~60℃ 40~50℃ 40~50℃ 20~60℃ 大電流放電性能 高 較高 較低 較低 充放電壽命 較低 一般 高 高 記憶效應(yīng) 無 有 略有 無 安全性 高 較高 較高 較低 回收循環(huán)利用 高 低 低 低 技術(shù)成熟度 高 較高 較高 一般 成本 低 較低 較高 高 鉛酸蓄電池的主要優(yōu)點是技術(shù)成熟、成本低、容量大、大電流放電性能好、使用溫度范圍廣、安全性高，并且能夠做到完全回收和再生利用，缺點是重量大、 比能量低。鉛酸蓄電池自發(fā)明以來，至今已有 150年的歷史，技術(shù)十分成熟。 課題研究的內(nèi)容 本課題通過采用單片機技術(shù)和 RFID技術(shù)實現(xiàn)電動車充電站設(shè)計 ,主要有三個功能，電量檢測功能、 RFID電子錢包功能和充電功能。本文通過六部分電路的設(shè)計來實現(xiàn)充電的功能，即交流 220V整流濾波電路、充電主電路、單片機電路、信號采樣與放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、電源模塊電路。 設(shè)計中系 統(tǒng)可以分為控制部分和信號檢測部分。 2 充電原理 蓄電池與充電技術(shù) 蓄電池通常是指鉛酸蓄電池，屬于 二次電池 。 電化學(xué)反應(yīng)方程式如下： PbO2 + 2H2SO4 + Pb → PbSO4 + 2H2O2 + PbSO4 (放電反應(yīng) ) （ 1） PbSO4 + 2H2O2 + PbSO4 → PbO2 + 2H2SO4 + Pb (充電反應(yīng) ) （ 2） 電池充電通常要完成兩個任務(wù)，首先是盡可能快地使電池恢復(fù)額定容量，另一是使用小電流充電，補充電池因自放電而損失的能量，以維持電池的額定容量 [1]。當(dāng)正負(fù)極板上的硫酸鉛完全生成鉛和二氧化鉛后，電池開始發(fā)生過充電反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣和氧氣。過充電開始的時間與充電的速率有關(guān)。只有充電速率小于 C/100，才能使電池在容量恢復(fù)到 100%后，出現(xiàn)過充電反應(yīng)。過充電反應(yīng)發(fā)生后，單格電池的電壓迅速上升，達(dá)到一定 數(shù)值后，上升速率減小，然后電池電壓開始緩慢下降。浮充電壓下，充入的電流應(yīng)能補充電池因自放電而失去的能量。采用適當(dāng)?shù)母〕潆妷?，密封鉛酸蓄電池的壽命可達(dá) 10年以上。鉛酸電池在環(huán)境溫度為 25℃ 時工作 在理想狀態(tài) ，當(dāng)環(huán)境溫度降到 0℃ 時，電池就不能充足電，當(dāng)環(huán)境溫度上升到 50℃ 時，電池將因嚴(yán)重的過充電而縮短壽命 。 蓄電池的充電原理 理論和實踐證明，蓄電池的充放電是一個復(fù)雜的電化學(xué)過程。充電過程中影響充電的因素很多 ,諸如電解液的濃度、極板活性物的濃度、環(huán)境溫度等的不同 ,都會使充電產(chǎn)生很大的差異。 上世紀(jì) 60年代中期，美國科學(xué)家馬斯對開口蓄 電池的充電過程作了大量的試驗研究，并提出了以最低出氣率為前提的，蓄電池可接受的充電曲線，如圖 2所示。原則上把這條曲線稱為最佳充電曲線，從而奠定了快速充電方法的研究方向 [2]。主要原因是充電過程中產(chǎn)生了極化現(xiàn)象。 充電方法研究 常規(guī)充電制度是依據(jù) 1940年前國際公認(rèn)的經(jīng)驗法則設(shè)計的。實際上，常規(guī)充電的速度被蓄電池在充電過程中的溫升和氣體的產(chǎn)生所限制。一般來說，常規(guī)充電有 恒流充電、恒壓充電法、階段充電法。 而 電池的可接受電流能力是隨著充電過程的進(jìn)行而逐漸下降的 。采用恒流充電法，可以將不同容量的蓄電池串聯(lián)在一起進(jìn)行充電。 恒流充電法的優(yōu)點是可以任意選擇充電電流，有益于延長蓄電池的使用壽命。充電曲線如下圖所示 ： 圖 3 恒流充電曲線 恒壓充電法 恒壓充電又叫定電壓充電法，在充電過程中，始終保持一個恒定的充電電壓，絕大多數(shù)汽車都采用這種充電方法對車載蓄電池進(jìn)行充電。隨著充電的進(jìn)行，蓄電池端電壓逐漸上升，充電電路輸出電壓與蓄電池的電壓差也減小，所以充電電流減充電電壓 充電電 流 t u,i 0 電動車充電站充電電路設(shè)計 5 小。如果充電電路輸出電壓過高，充電電流將顯著增大，即使蓄電池已經(jīng)充足電，但端電壓仍然低于充電器的輸出電壓，充電電流仍然純在，充電始終在進(jìn)行，勢必導(dǎo)致蓄電池過充電，加快電解液的消耗，使用壽命縮短。用恒定電壓快速充電，如圖 4 所示 ： 圖 4 恒壓充電法曲線 階段充電法 此方法包括二階段充電法和三階段充電法。首先，以恒電流充電至預(yù)定的電壓值，然后，改為恒電壓完成剩余的充電。如圖 5所示： 圖 5 二階段法曲線 三階段充電法在充電開始和結(jié)束時采用恒電流充電，中間用恒電壓充電。這種方法可以將出氣量減到最少，但作為充電電流 充電電壓 0 恒流 恒壓 t u,i 充電電壓 充電電流 u,i t 0 電動車充電站充電電路設(shè)計 6 一種快速充電方法使用，受到一定的限制。鉛酸蓄電池的主要優(yōu)點是： 電池容量大、價格便宜并具有無記憶效應(yīng) 。根據(jù)鉛酸蓄電池的上述特點， 鉛酸蓄電池的充電過程一般分為四個階段： 預(yù)充電、脈沖快速充電、補足充電、浮充電 。為了避免這一問題要先對蓄電池實行穩(wěn)定小電流充電，使電池電壓上升，當(dāng)電池電壓上升到能接受大電流充電的閾值時再進(jìn)行大電流快速充電。采用這種方法可以消除充電接近充滿時易出現(xiàn)的振蕩現(xiàn)象及過充電問題。此階段充電采用恒壓充電，可使電池容量快速恢復(fù)。 （ 4） 浮充電 此階段主要用來補充蓄電池自放電所消耗的能量，只要電池接在充電 電路 上并且接通電源，充電 電路 就會給電池不斷補充電荷，這樣可使電池總處于充足電狀態(tài)。 3 總體設(shè)計方案 系統(tǒng)設(shè)計 根據(jù)題目的要求，系統(tǒng)采用開關(guān)電源，通過脈沖電流的方式來實現(xiàn)充電的目的。系統(tǒng)可以分為控制部分和信號檢測部分。信號檢測部分由充電電流測量及充電電壓測量模塊組成，其中電流測量用以測量蓄電池充電時的充電電流，電壓測量模塊模塊 測量蓄電池充電時蓄電池的實時電壓。從而控制充電電壓和電流的大小。 方案比較與選擇 對系統(tǒng)信號進(jìn)行采樣和控制，一般有兩到三種方法，傳統(tǒng)的方法多數(shù)是將充電的電壓和電流信號反饋回 PWM 信號發(fā)生器，由 PWM 信號發(fā)生器控制開關(guān)管通斷的占空比完成的，現(xiàn)在比較新的方法是單片機和用狀態(tài)機來實現(xiàn)。蓄電 池充電時，電壓、電流采樣電路將蓄電池的電壓、電流信號進(jìn)行采樣，采樣的信號經(jīng)過各種處理后，分別送進(jìn) PWM 信號發(fā)生器的電壓和電流反饋引腳。這個 PWM 信號送給開關(guān)電源開關(guān)管，從而調(diào)節(jié)開關(guān)管在一個周期內(nèi)關(guān)斷和導(dǎo)通的時間，也就是控制了高頻變壓器通斷的時間，從而實現(xiàn)控制高頻變壓器輸出電壓和電流的大小。這種方案的優(yōu)點是，技術(shù)簡單、成熟、有多年的實用經(jīng)驗、所需的元器件少、 成本低，但其在沒充滿電的情況下就會產(chǎn)生過充電的現(xiàn)象，增加蓄電池的損耗，使蓄電池的壽命減少，方案圖如圖 6所示： 圖 6 方案一 （ 2）方案二：用單片機實現(xiàn)的方案。電壓、電流采樣電路將蓄電池的電壓、電流信號進(jìn)行采樣，采樣信號分別送進(jìn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將電壓和電流的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。然后單片機調(diào)整 PWM 輸出信號的占空比。當(dāng)蓄電池充電滿后，由單片機輸出信號控制開關(guān)斷開電源，充電器便停止對蓄電池的充電。方案圖如圖 7所示： 蓄電池 PWM波形發(fā)生器 電流電壓反饋 高頻變壓器 電動車充電站充電電路設(shè)計 8 圖 7 方案二 （ 3）方案三：用 VHDL 設(shè)計實現(xiàn)。用狀態(tài)機來控制 A/D 采樣，包括將采得的數(shù)據(jù)存入 RAM，整個采樣周期需要 4至 5個狀態(tài)即可完成。電壓、電流采樣電路將蓄電池的電壓、電流信號進(jìn)行采樣，采樣信號分別送進(jìn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將電壓和電流的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。然后 FPGA 調(diào)整 PWM 輸出信號的占空比。當(dāng)蓄電池充電滿后，由單片機輸出信號控制開關(guān)斷開電源，充電電路便停止對蓄電池的充電。 FPGA 的晶振頻率一般為幾十兆赫茲，故信號的采樣頻率高。 并不是理想的設(shè)計方案。方案二成本比方案一略高一點，易于接受，而且編程沒有那么的復(fù)雜，在本次設(shè)計選擇此方案。在蓄電池的出口處分別的進(jìn)行電壓和電流的采樣 ，采樣信號送入低通濾波器以濾掉諧波的干擾。單片機通過軟件將送進(jìn)來的電壓和電流信號轉(zhuǎn)換為實際值，并將它們與上一次的實際值進(jìn)行比較，然后再調(diào)節(jié)輸出的 PWM 波形的頻率和占空比，并控制指示燈的亮滅來指示充電的過程。同時蓄電池通過 DCDC 變換器經(jīng)整流濾波后給單片機、 A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換器、指示電路和其它的電路提供電源。其中 AT89C51 是我們在學(xué)習(xí)生活中常常用到或見到的，它的功能非常強大，在許多方面都得到應(yīng)用。 AT89C51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 4k 字節(jié) Flash 閃速存儲器， 128 字節(jié)內(nèi)部 RAM，32 個 I/O 口線，兩個 16位定時 /計數(shù)器，一個 5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路?？臻e方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時 /計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。 （ 2）管腳說明 AT89C51 有兩種通用的封裝方式，一種是 40 腳的雙列直插（ DIP）方式，另一種是44腳的 PLCC 方形貼片封裝方式。當(dāng) CPU以總線方式訪問片外存儲器時， P2輸出高 8位地址。作為一般 I/O口 使用時 ， 為準(zhǔn) 雙向 I/O口 可驅(qū)動 4個 LS型TTL負(fù)載 RST 9 復(fù)位輸入 ，高電 平有效。其內(nèi)部有一個 8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 （ 1）主要 特性 ? 輸入通道， 8位 A/D 轉(zhuǎn)換器，即分辨率為 8位 ? 具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫? ? 轉(zhuǎn)換時間為 100μs ? 單個＋ 5V 電源供電 ? 模擬輸入電壓范圍 0～＋ 5V，不需零點和滿刻度校準(zhǔn) ? 工作溫度范圍為 40～＋ 85 攝氏度 ? 低功耗，約 15mW （ 2） 內(nèi)部結(jié)構(gòu) ADC0809 是 CMOS 單片型逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，它由 8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、 8 位開關(guān)型 A/D 轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、邏輯控制和定時電路組成。當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量 ? CLK：時鐘脈沖輸入端。此地址經(jīng)譯碼選通 8路模擬輸入之一到比較器。下降沿啟動 A/D轉(zhuǎn)換，之后 EOC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正 在進(jìn)行。當(dāng) OE輸入高電平 時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問題是如何確認(rèn) A/D轉(zhuǎn)換的完成，因為只有確認(rèn)完成后，才能進(jìn)行傳送。 ? 定時傳送方式 ： 對于一種 A/D轉(zhuǎn)換器來說，轉(zhuǎn)換時間作為一項技術(shù)指標(biāo)是已知的和固定的。可據(jù)此設(shè)計一個延時子程序， A/D轉(zhuǎn)換啟動后即調(diào)用此子程序，延遲時間一到，轉(zhuǎn)換肯定已經(jīng)完成了，接著就可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。因此可以用查詢方式，測試 EOC的狀態(tài)，即可確認(rèn)轉(zhuǎn)換是否完成，并接著進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。 不管使用上述哪種方式，只要一旦確定轉(zhuǎn)換完成，即可通過指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。 電動車充電站充電電路設(shè)計 13 LM324 是四運放集